Акустические измерения

Звуковыми волнами называются периодические сжатия и расширения среды (твердых тел, жидкостей и газов), происходящие с определенной частотой. Частицы среды совершают колебательные движения в направлении распространения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими волнами. Название «звуковые» связано с диапазоном восприятия человеческого слуха, который приблизительно составляет интервал 20…20 000 Гц. Продольные механические волны ниже 20 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20 кГц – ультразвуковыми.

Спектр звуковых волн может содержать одну гармонику определенной частоты, либо набор гармонических составляющих с разными частотами. Интенсивность звуковой волны определяется как мощность, переданная через единичную площадь. Однако, на практике звук чаще характеризуется не интенсивностью I, а уровнем β, определенным относительно стандартной интенсивности I₀ = 10^-12 Вт/м²: β

Величина I₀ соответствует нижней границе слуха человеческого уха. Единицей измерения уровня звука является децибел (дБ).

Акустические преобразователи, предназначенные для измерения интенсивности звуковых волн, фактически являются датчиками давления. Преобразователи, работающие в слышимом диапазоне, называются микрофонами. В состав микрофона, как правило, входят диафрагма (мембрана) и преобразователь перемещения, преобразующий отклонение мембраны в электрический сигнал.

Основные характеристики микрофонов: частотный диапазон, в котором частотная характеристика имеет неравномерность не больше заданной; неравномерность частотной характеристики, выраженная в дБ; осевая чувствительность на частоте 1 кГц, измеряемая отношением выходного напряжения микрофона к величине звукового давления (мВ·м²/н).

В широко распространенных электродинамических микрофонах в качестве преобразователя колебаний мембраны используется индукционный преобразователь (см. раздел 3), состоящий из цилиндрической катушки, соединенной с мембраной и помещенной в зазор магнитной системы, содержащей постоянный магнит. При колебании мембраны катушка перемещается в магнитном поле, и в ней наводится ЭДС, зависящая от амплитуды и частоты колебаний. Динамические микрофоны имеют существенную неравномерность частотной характеристики.

Электростатический микрофон, который еще называют конденсаторным или емкостным, представляет собой плоский конденсатор с воздушным диэлектриком, одна из обкладок которого выполняет роль мембраны. При колебании мембраны изменяется зазор между обкладками и, соответственно, емкость и напряжение на конденсаторе. Конденсаторным микрофонам требуется высоковольтный (выше 100 В) источник питания, однако, они имеют высокие чувствительность и равномерность частотной характеристики.

В пьезоэлектрическом микрофоне используется пьезоэлектрический эффект (см. раздел 3). Пьезоэлектрический микрофон состоит из тонкого диска, выполненного из пьезокерамики, с двумя электродами, нанесенными на обе плоскости диска. Пьезокристалл воспринимает акустические волны и преобразует их в электрический заряд. Пьезоэлектрические микрофоны применяют как в звуковом, так и, особенно успешно, в ультразвуковом диапазоне. Пьезоэлектрические микрофоны имеют высокую чувствительность и большую неравномерность частотной характеристики (15 дБ в диапазоне 100…5000 Гц).

Электретный микрофон изготавливается на основе электрета. Электрет – это диэлектрический материал кристаллической структуры с постоянной электрической поляризацией. Электретный микрофон – это электростатический преобразователь, состоящий из металлизированной электретной мембраны и параллельной ей металлической пластины, отделенных друг от друга воздушным зазором. Под действием поверхностного заряда электрета в воздушном зазоре создается электрическое поле. Слой металлизации и металлическая пластина соединены через резистор. Под действием акустической волны электрет перемещается, изменяя воздушный зазор, при этом на резисторе появляется напряжение. Электретные микрофоны могут работать в широком диапазоне (от 10^-3 Гц до сотен кГц) и имеют неравномерность частотной характеристики в диапазоне 20…18 000 Гц не более 2 дБ.